重載鐵路牽引主變壓器過負荷能力淺析

張芳

(太原鐵路局供電處，山西 太原 030013)

1 引言

太原鐵路局貨運以煤炭運輸為主，擁有大秦、侯月等重載運輸通道。近年來，各條鐵路線運量逐年增加，牽引變電所主變壓器過負荷現(xiàn)象越來越頻繁，部分變電所主變壓器出現(xiàn)過負荷保護動作跳閘，影響鐵路正常行車組織。如何科學的制定措施，充分發(fā)揮牽引主變壓器的過載能力，做到既節(jié)約投資又保證供電安全，成為急需研究解決的課題。

2 牽引變壓器設計容量情況

鐵路電力牽引供電設計規(guī)范中要求牽引變壓器容量應根據(jù)交付運營后第3年或第5年需要的通過能力、機車類型、列車牽引重量、追蹤間隔時分等條件計算;按緊密運行時客車和貨車平行圖分別進行校驗，并應符合下列規(guī)定:

(1)需要通過能力按運量計算時，應預留一定的儲備能力，單線采用20%，雙線采用15%;近期按調(diào)查運量計算時，還應考慮貨運量的波動性;遠期按國家要求的年輸送能力計算時，應僅考慮儲備能力。

(2)需要通過能力小于線路通過能力的50%時，可按1.5～2.0倍的需要通過能力計算，此時不再考慮波動系數(shù)和儲備系數(shù)。

(3)牽引能耗應按各類電力牽引列車計算，當客車、空車比重較小時，可按滿載貨物列車的牽引能耗計算。

(4)應充分利用牽引變壓器的過負荷能力。每個牽引變電所宜設兩臺牽引變壓器，一臺運行，一臺備用。每臺變壓器容量應能承擔全所最大負荷。

3 Y/△－11主變壓器過負荷案例分析

Y/△－11主變壓器承擔單相牽引負荷時，其設計容量利用率為75.6%。兩個重負荷繞組電流達到額定值時，輕負荷繞組的電流只達到0.378倍的額定電流，變壓器沒有達到額定溫升，考慮到溫度系數(shù)后，可在額定容量的基礎上再提高11.1%，即其容量利用率為84%。由此看出Y/△－11型變壓器容量利用率較低，其過負荷能力較弱，一般為額定容量的1.5倍。

3.1 Y/△－11主變壓器過負荷案例

北同蒲線軒崗變電所211饋線供電臂長度19.8km，區(qū)間最大坡度12‰，主變壓器為 Y/△－11，容量31.5MVA，主變壓器一次側(cè)額定電流為165A，二次側(cè)額定電流為661A。2012年1月以來，隨著運量的不斷增加，頻繁出現(xiàn)主變壓器過負荷告警，或211饋線阻抗II段保護動作跳閘。僅2012年2月1日～15日就發(fā)生過負荷跳閘34次，2012年2月發(fā)生過負荷告警68次。

3.2 數(shù)據(jù)分析

2.2.1 負荷電流分析

通過對過負荷數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)該變電所過負荷電流有以下特點:

110kV系統(tǒng)最大負荷電流為304A，持續(xù)時間為3min，最大過負荷倍數(shù)1.84。

過負荷持續(xù)時間小于5min。

牽引變電所負荷率小于0.5。

3.2.2 饋線跳閘分析

通過對軒崗變電所211饋線閘數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)211饋線跳閘均為阻抗II段動作，且重合成功。主要有以下特點:

跳閘電壓值范圍為20118～22839V，跳閘電流值范圍為813～1155A，電抗值范圍5.06～5.08Ω，阻抗角45°左右。

典型饋線阻抗四邊形特性圖如圖1所示，由圖中看出動作阻抗接近于四邊形的bc邊。

圖1 典型饋線阻抗四邊形特性圖

2.2.3 運行溫度分析

變壓器過負荷運行時，其溫升較高，變壓器繞組的絕緣老化程度與溫度有關(guān)，變壓器絕緣材料在80℃ ～140℃范圍內(nèi)，溫度比98℃每升高6℃ ～8℃，老化速度增加一倍，反之降低一倍。Y/△－11型變壓器過負荷倍數(shù)一般不超過1.5倍，牽引變壓器的負荷率一般較低，遠小于1，其過負荷倍數(shù)及時間允許增加。三相變壓器過負荷能力曲線如圖2所示，最大負荷持續(xù)時間為5min的允許過負荷倍數(shù)與負荷率的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖2 三相變壓器過負荷能力曲線

圖3 最大負荷持續(xù)時間為5min的允許過負荷倍數(shù)與負荷率的關(guān)系曲線

3.3 采取的技術(shù)措施

在緊密監(jiān)測油溫的前提下，將主變過負荷整定值調(diào)整到1.9倍，整定時間為90s。

軒崗變電所211饋線保護整定值是牽引變電所開通時設計院給出的定值，由于運量的增加，其最大負荷電流及最低母線電壓都發(fā)生了較大變化，通過保護動作時四邊形特性分析，減小R值將ab邊縮短，即可防止饋線保護誤動作。對211饋線阻抗II段整定值進行修正，其中最低電壓按跳閘時記錄的27.5kV最低電壓值，電流按跳閘最大電流值進行整定計算。整定值修改后211饋線四邊形阻抗特性圖如圖4所示，從圖4中可以看出，最大負荷時阻抗矢量在保護范圍外。

圖4 調(diào)整整定值后的四邊形阻抗特性圖S

3.4 采取措施后的效果

調(diào)整保護定值后，軒崗變電所至今未發(fā)生保護誤動作現(xiàn)象，牽引變壓器未發(fā)生異?，F(xiàn)象，各項試驗數(shù)據(jù)均正常。

4 V/V主變壓器過負荷案例分析

V/V變壓器設計容量利用率為100%。其過負荷能力較強，一般為額定容量的1.75倍。

4.1 V/V變壓器過負荷案例

寧岢線單線電氣化鐵路于2008年開通運行，設計牽引定數(shù)為5000T。莊兒上變電所主變壓器為三相V/V接線，容量為2×(10+10)MVA。2008年開通后，該線路就開行了10000T列車，導致變電所主變壓器頻繁發(fā)生過負荷跳閘。

4.2 數(shù)據(jù)分析

通過對莊兒上牽引變電所過負荷數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)其過負荷電流有以下特點:

110kV系統(tǒng)最大負荷電流為210A，持續(xù)時間為4min，最大過負荷倍數(shù)2.3。

負荷持續(xù)時間小于5min。

牽引變電所負荷率小于0.5。

4.3 寧岢線鐵路線路狀況分析

莊兒上牽引變電所主變壓器為V/V結(jié)線形式，主變?nèi)萘?0MVA+10MVA，該牽引變電所有2個供電臂:K18+437～K37+056為神池方向供電臂，向神池(K19+739)～長城梁(K28+600)、長城梁(K28+600)～莊兒上(K37+761)間供電;K37+056～K55+810為五寨方向供電臂，向莊兒上(K37+761)～李家坪(K47+100)、李家坪(K47+100)～五寨(K55+810)間供電。

神池～長城梁間線路長8.861km，全線為重車上坡，線路最大坡道12‰。長城梁～莊兒上間線路長9.161km，其中重車上坡區(qū)段為5.95km，線路最大坡道12‰;重車下坡區(qū)段為3.211km，線路最大坡道12‰。莊兒上～李家坪間線路長9.339km，全線為重車下坡，線路最大坡道12‰。李家坪～五寨間線路長10.8km，其中重車上坡區(qū)段為9.6km，線路最大坡道12.5‰;重車下坡區(qū)段為1.2km，線路最大坡道12‰。

4.4 采取的技術(shù)措施

4.4.1 牽引主變壓器過負荷能力設定

V/V結(jié)線的牽引主變壓器典型負荷曲線如圖5所示。按環(huán)境溫度30℃，繞組熱點溫度不超過140℃，頂層油溫不超過105℃。過負荷能力要求24h內(nèi)出現(xiàn)200%的負荷不超過3個，出現(xiàn)的時間間隔為4h，其他時間按100%的負荷運行。考慮到牽引變壓器的負荷率較低，一般為0.6，設定變壓器后備保護過負荷倍數(shù)為2.5，過負荷延時90s。

圖5 V/V結(jié)線的牽引主變壓器典型負荷曲線

4.4.2 饋線保護整定值修改

按實際運行的母線最低電壓及最大負荷電流進行整定。

4.4.3 通過牽引計算提出排車的合理方案

通過對線路的牽引計算，計算出各運行區(qū)段的最大牽引電流，得出排車原則如下:

(1)神池－長城梁－莊兒上間排車原則

連發(fā)重車時，重車上行方向按1個萬噸或2個5000T考慮，應使用HXD1牽引。連發(fā)空車時，空車下行方向不受限制。

空重車相向?qū)Πl(fā)時:莊兒上→長城梁方向發(fā)重車，神池→長城梁方向發(fā)空車，不受限制;長城梁→神池向發(fā)重車，長城梁→莊兒上方向發(fā)空車時，應重車先發(fā)，空車后發(fā)，相隔一段時間，避免這一供電臂出現(xiàn)2個列車在同一時間均處在爬坡區(qū)段。

(2)莊兒上－李家坪－五寨間排車原則:

連發(fā)重車時，重車上行方向按2個萬t考慮。連發(fā)空車時，空車下行方向不受限制。

空重車相向?qū)Πl(fā)時:莊兒上→李家坪方向發(fā)萬t空車，五寨→李家坪方向只能發(fā)5000t重車，2列車型均為HXD1。莊兒上→李家坪方向發(fā)5000t空車，五寨→李家坪方向只能發(fā)5000t重車，應有1列車型為HXD1。當五寨→李家坪方向發(fā)萬t重車時，莊兒上→李家坪方向(下行)不能發(fā)車。

4.5 采取措施后的效果

莊兒上牽引變電所保護整定值調(diào)整后，主變壓器過負荷現(xiàn)象得到明顯的改善，過負荷跳閘大幅度減小，線路運量較為合理，基本滿足鐵路運輸要求，牽引變壓器未發(fā)生異常現(xiàn)象，各項試驗數(shù)據(jù)均正常。

5 結(jié)束語

運行中的牽引變電所主變壓器容量是固定不變的，但是在運行過程中經(jīng)常出現(xiàn)運量提升或增加專用線的情況，導致牽引主變壓器過負荷。通過上述的分析可以得出，合理確定牽引變壓器過負荷倍數(shù)，科學的修定保護定值，同時根據(jù)線路情況進行牽引供電能力計算，提出合理的車流排放方案，可以最大限度的發(fā)揮牽引主變壓器的過負荷能力，在完成鐵路運輸任務的同時保證牽引供電設備的正常運行。

［1］單圣熊，等.鐵路電力牽引供電設計規(guī)范［M］.中華人民共和國鐵道部，2005－04－25.

［2］譚秀炳，劉向陽.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)［M］.西南交大出版社ISBN7－81057－584－8.